Laluan FEL berpotensi Elon Musk boleh menantang lithografi EUV

Seorang blogger melaporkan bahawa, berdasarkan pengumuman TeraFab, Elon Musk kelihatannya akan mengambil jalan FEL (Free electron laser: laser elektron bebas) untuk menggugat monopoli EUV tradisional.

Selepas itu, respons Elon Musk kelihatan membuktikan kenyataan ini.

Tentu, ini adalah spekulasi dan bukan fakta sebenarnya. Tetapi kami rasa ini patut dibincangkan.

Kita harus mengakui, laser elektron bebas (FEL) dan akselerator zarah bukanlah perkara baharu. Selama bertahun-tahun, syarikat, institut penyelidikan dan pembangunan, serta universiti telah memiliki dan mengendalikan akselerator zarah untuk menghasilkan proton, neutron, dan Quark Partikel subatomik yang sangat kecil. Sistem ini biasanya digunakan dalam fisika dan aplikasi saintifik lainnya. Laser elektron bebas (FEL) telah wujud sejak lama. Menurut penerangan, ia pada dasarnya adalah sumber cahaya berkuasa tinggi yang menggunakan elektron untuk menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeza. Akselerator zarah adalah sistem yang mempercepatkan zarah bercas.

Dari segi prinsip, laser elektron bebas menghasilkan laser apabila elektron yang bergerak hampir secepat cahaya melalui medan magnet yang berubah secara berkala. Panjang gelombang laser ini berkaitan dengan frekuensi proses medan magnet berkala; dengan mengubah frekuensi perubahan medan magnet atau kelajuan masuk, laser dengan panjang gelombang yang berbeza boleh dihasilkan. Oleh itu, untuk menghasilkan FEL ini, sumber elektron berkelajuan tinggi (hampir secepat cahaya) terlebih dahulu diperlukan. Mengapa elektron perlu hampir secepat cahaya? Kerana hanya dalam keadaan ini, radiasi yang dihasilkan oleh getaran elektron pada arah tegak lurus terhadap arah masuk akan memberi kesan ketara terhadap gerakan elektron, menyebabkan elektron yang berdekatan berkumpul membentuk kelompok (bukan aliran elektron yang seragam).

Andaikan setiap kelompok ini mengandungi N elektron, maka jumlah tenaga radiasi cahaya bukanlah jumlah tambah biasa tenaga N elektron, tetapi hubungan kuasa dua N, iaitu radiasi berkoheren; dengan kata lain, ia adalah laser. Sumber elektron berkelajuan tinggi yang paling banyak digunakan kini ialah akselerator linear (terdapat juga penggunaan radiasi sinchrotron sebagai sumber elektron bebas, tetapi kuasanya tidak mencukupi).

Dengan kata lain, dalam FEL, elektron bergerak bebas di ruang hampa dengan kelajuan hampir cahaya dan bertukar tenaga dengan gelombang elektromagnetik yang bergerak serentak, menghasilkan satu sinar cahaya yang boleh disesuaikan dan diperbesarkan secara eksponen.

Secara khusus, termasuk beberapa bahagian berikut:

1. Sinar elektron berenergi tinggi

Proses ini bermula dengan alur elektron berenergi tinggi dari akselerator zarah.

Pembesar gelombang mikro mempercepat elektron hingga hampir mencapai kelajuan cahaya. Sebagai contoh, sinar elektron pada 1 GeV (iaitu, cas satu elektron darab 1 giga-volt), kelajuan elektron hanya lebih perlahan satu per sepuluh juta daripada kelajuan cahaya. Semakin tinggi tenaga sinar elektron, semakin tinggi juga tenaga foton yang boleh dihasilkan oleh FEL.

2. Radiasi cas yang dipercepat

Setiap zarah bercas yang dipercepatkan akan memancarkan cahaya. Contohnya:

Sumber cahaya radiasi bremsstrahlung (Jerman: Bremsstrahlung, bermaksud "radiasi brek") berfungsi dengan menembakkan elektron ke dinding logam, menyebabkan elektron melambat dengan cepat, di mana balang elektron menghabiskan tenaga melalui radiasi cahaya dan pelepasan haba.

Magnet pembelok juga boleh mencapai kesan serupa:

Jika sinar elektron dibengkokkan menjadi orbit bulat, ia akan menghasilkan sumber sinaran sinkrotron.

Jika sinar elektron digerakkan bolak-balik mengikut trajektori gelombang sinus, ia membentuk sumber wiggler atau undulator.

Sinar sinchrotron dan sumber cahaya wobbler menghasilkan frekuensi cahaya yang luas, manakala undulator berbeza: dalam keadaan tertentu, balang elektron yang melalui undulator boleh menghasilkan pemancaran laser.

3、Oscillator

Undulator ialah peranti yang terdiri daripada magnet yang disusun secara berkala, yang menyebabkan sinar elektron berenergi tinggi bergetar mengikut lengkung sinusoida (iaitu "bergoyang"). Penggetaran terkawal terhadap sinar elektron ini merupakan langkah pertama dalam menghasilkan cahaya yang diselaraskan dengan tepat. Periode undulator (λᵤ) bersama dengan tenaga sinar elektron menentukan panjang gelombang cahaya output.

Oleh sebab itu, beberapa orang memandang FEL sebagai pengganti EUV lithography.

EUV lithography tradisional menggunakan 13.5 nm kerana plasma timah mampu menghasilkan panjang gelombang ini dengan cekap.

Namun, logik FEL sama sekali berbeza. Ia boleh mengubah panjang gelombang cahaya output dengan menyesuaikan tenaga sinar elektron, tempoh osilator dan kekuatan medan magnet. Oleh itu, secara teori ia boleh merangkumi dari sinar-X lembut, EUV hingga ke panjang gelombang yang lebih panjang. Ini bermakna: EUV tradisional lebih seperti "pisau litografi" dengan fokus tetap, manakala FEL lebih seperti "alat optik" yang boleh menyesuaikan panjang gelombang secara berterusan.

Oleh itu, seseorang telah melanggar batasan dengan menggunakan FEL. Syarikat rintisan Amerika, xLight, adalah penyokong jalan ini. Pat Gelsinger, bekas CEO Intel, kini berperanan sebagai Ketua Eksekutif xLight.

Dalam teknologi xLight, elektron terlebih dahulu dimasukkan ke dalam akselerator zarah, kemudian memasuki laser elektron bebas (FEL). xLight menyatakan: “FEL memanfaatkan elektron dari akselerator zarah dan menghantarkannya melalui osilator yang mempunyai medan magnet berperingkat, untuk menghasilkan sinar yang koheren dan berintensiti tinggi.”

Secara ringkas, cahaya EUV dihasilkan di akselerator. Kemudian, cahaya EUV dihantar dari peralatan akselerator partikel ke pabrik wafer melalui peranti serupa saluran foton. Pada saat ini, cahaya EUV akan diarahkan ke pabrik wafer anak. Di dalam pabrik wafer anak, terdapat pelbagai sistem berasingan yang dikenali sebagai “stesen songsang”.

Berdasarkan video xLight, setiap stesen berputar digunakan secara khusus untuk satu alat EUV di fab lapisan atas. Semasa operasi, cahaya EUV dihantar ke setiap stesen berputar di kawasan fab anak. Kemudian, setiap stesen berputar menerima cahaya dan mengarahkannya ke sistem EUV di atas bangunan fab. Ini, pada gilirannya, memberikan tenaga kepada peralatan EUV.

Dalam kes ini, peralatan lithografi EUV itu sendiri tidak mengandungi sumber cahaya LPP. Sebaliknya, cahaya EUV dihasilkan di akselerator zarah, kemudian dihantar ke peralatan EUV di kilang wafer. Ini adalah cara mudah untuk menggambarkan proses yang kompleks.

Walau bagaimanapun, sumber cahaya FEL dari xLight menghasilkan kuasa sebanyak 4 kali lebih tinggi berbanding peranti LPP semasa. xLight menyatakan: "Dengan menyediakan kuasa EUV sehingga 4 kali ganda, pabrik wafer boleh mengoptimumkan peningkatan corak, meningkatkan produktiviti dan kadar kejayaan, dengan demikian mencipta pendapatan tambahan berbilion dolar setiap tahun setiap scanner, serta mengurangkan kos setiap wafer sebanyak kira-kira 50%. Selain itu, satu sistem xLight tunggal boleh menyokong sehingga 20 sistem ASML, dengan jangka hayat sehingga 30 tahun, yang mengurangkan perbelanjaan modal dan operasi lebih daripada 3 kali ganda."

Secara teori, teknologi xLight boleh digunakan untuk EUV dengan numerikal aperture rendah, EUV dengan numerikal aperture tinggi, dan bahkan EUV dengan numerikal aperture super. Dalam segi pembangunan, ASML sedang mengembangkan teknologi EUV numerikal aperture 0.75 super, yang bertujuan untuk mencapai masa depan yang lebih jauh.

Dari reka bentuk pabrik panjang Terafab dan respons Musk, Terafab sangat mungkin akan menggunakan akselerator linear sebagai sumber elektron berkelajuan tinggi untuk FEL. Laser sinar-X bebas elektron pada skala femtosekon semasa ini sudah digunakan di makmal universiti untuk pengumpulan data difraksi kristal protein.

Jika anda masih tidak memahami betapa hebatnya perkara ini, mari kita ambil contoh: jika sumber cahaya mesin lithografi ekstrem ultraviolet AMSL adalah mentol biasa, maka sumber cahaya FEL free-electron extreme ultraviolet adalah seperti laser berkecekapan tinggi yang boleh dengan mudah menghasilkan laser dengan kuasa output dari beberapa kilowatt hingga puluhan kilowatt, dan panjang gelombangnya boleh disesuaikan secara bebas.

Sebagai perbandingan, LPP EUV yang digunakan oleh AMSL memiliki panjang gelombang tetap, dan kesukaran untuk melepaskan kuasa melebihi 1 kW, selain itu, kemurnian panjang gelombang cahaya dan koherensinya tidak dapat dibandingkan. Jika dapat dihasilkan, ia akan mempercepat pantas dan kualiti litografi mesin litografi secara besar-besaran. FEL juga mempunyai kelebihan lain, iaitu kecekapan pengalihan (nisbah penggunaan tenaga) yang sangat tinggi; LPP yang digunakan oleh AMSL memerlukan kira-kira 4.4 MW tenaga elektrik untuk menghasilkan 1 kW EUV yang boleh digunakan (kecekapan keseluruhan kira-kira 0.05%).

Sementara itu, FEL pemulihan tenaga paling canggih (ERL-FEL) hanya memerlukan kira-kira 0.7 MW elektrik untuk menghasilkan 1 kW EUV, dengan kecekapan yang lebih tinggi sebanyak 6 kali ganda, dan boleh ditingkatkan lagi di masa depan dengan bahan superkonduktor yang lebih baik.

Dari segi teknologi semata-mata, FEL jelas lebih unggul dalam prestasi sumber cahaya, tetapi ini tidak bermakna lebih maju dalam litografi industri. Kerana litografi EUV tidak hanya memerlukan "satu sinar cahaya 13.5 nm".

Diperlukan juga: kuasa tinggi + kestabilan tinggi + frekuensi ulangan tinggi + kebolehpercayaan tinggi + kos yang sangat rendah + masa operasi yang sangat tinggi + sepadan dengan sistem optik reflektif.

Sumber cahaya EUV ASML sekarang, setelah melalui pengilangan bertahun-tahun, telah membentuk sistem industri yang lengkap.

Namun, FEL biasanya memerlukan akselerator elektron besar, undulator, sistem vakum, sistem kawalan alur sinar, dan sebagainya, di mana saiz dan kos peralatan sangat besar. Oleh itu, dari segi prestasi fizik sumber cahaya: FEL jelas lebih kuat dan lebih bebas.

Namun, dari segi kemampuan kejuruteraan litografi pengeluaran semikonduktor: sumber cahaya EUV yang matang pada peringkat ini lebih sesuai untuk kilang wafer. FEL mungkin membawa sumber cahaya EUV dari “panjang gelombang tetap 13.5 nm” kepada litografi panjang gelombang pendek yang lebih fleksibel.

Sebagai contoh, jika pada masa depan terdapat eksplorasi litografi generasi seterusnya dengan panjang gelombang 6.x nm, 5.x nm, atau lebih pendek, mekanisme sumber cahaya FEL yang boleh disesuaikan panjang gelombangnya, koheren tinggi, dan kecerahan puncak tinggi akan menjadi sangat menarik.

Namun, terdapat satu masalah besar di sini: semakin pendek panjang gelombang, semakin sukar menjadi masalah sistem optik, topeng, bahan fotolitografi, ketepatan pantulan, serakan foton, dan sistem vakum.

Jadi, revolusi sebenar yang mungkin dibawa oleh FEL bukan sekadar "menggantikan sumber cahaya EUV", tetapi menyediakan jalan sumber cahaya panjang gelombang pendek dan kecerahan tinggi yang sama sekali berbeza.

Selain FEL, seperti harmonik tinggi (HHG), plasma diska (DPP), dan sinar sinchrotron juga dibincangkan sebagai pilihan. LPP unggul dalam kematangan dan pengeluaran berskala besar, FEL menekankan kecerahan tinggi, koheren tinggi, dan panjang gelombang boleh laras, manakala HHG memiliki potensi miniaturisasi. Kunci persaingan masa depan ialah menyeimbangkan kuasa, kecekapan, kestabilan, dan kos pada panjang gelombang yang lebih pendek.

Lebih penting lagi, mereka semua sama, dan menghadapi cabaran yang lebih banyak, dengan garis masa yang tidak pasti.

Artikel ini berasal daripada akaun微信公众号 "Semiconductor Industry Watch" (ID: icbank), penulis: Jawatankuasa Editor